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문제 정의
- 물-물 방식에 대비해 물-공기 멀티형방식은 시스템 구성상 매우 간단하고 반송동력도작을 것으로 예상되지만, 근래에 개발되었기 때문에 실사용 조건에서의 시스템 성능은 물론 유니트 자체 성능과 관련한 연구도 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실사용 조건에서 '물 -공기 지열 멀티형 열펌프 시스템'에 대한 성능평가를 수행함으로써 물-공기 멀티형 방식에 대한적용 가능성과 신뢰성 검증을 위한 기초자료를확보하는 것을 목적으로 하였다.
가설 설정
- Fig. 1에서 열원의 종류로만 열펌프 형식을 다시 분류하면 (a) 물-물, (b) 물-공기, 그리고 (c) 물-공기 멀티형은 '지열원 열펌프'에해당하며, (d) 공기-공기 멀티형은 '공기열원 열펌프'에 해당한다. 여기서 특히 지열원 열펌프 방식 중 (c) 방식은 2009년 12월 15일자로 지식경제부 고시 2009-310호에 의해 새로 추가된 방식으로서 '물-공기 지열 멀티형 열펌프 유니트(이하물-공기 멀티형)'라 불린다.
제안 방법
- '신"재생에너지설비의 지원, 설치, 관리에 관한기준'(3) 의 '지열원 열펌프 시스템 설치 및 설계기준'에 따라 상용 지중열교환기 설계프로그램인 GLHEPRC艸를 이용하여 지중열교환기를 설계하였다. 지중열교환기 설계의 필수 자료인 지중열전도도는 '지 경부 고시 제 2008-3호'에 따른 절차 및방법에 따라 측정하였다.
- 이내로 조합하였다. 1층 및 2층 일부를담당하는 조닝에는 58kW(약 16usRT)급 실외기 1대와 실내기 7대(4kW, 7.2kW, 10kW, llkW급각 1대, 8.3kW급 3대)를 연결하였고, 2층 일부 및 3층을 담당하는 조닝에는 동일용량의 실외기 1대와 실내기 8대(7.2kW, lOkW급 각 1대, 5.2kW,6kW, 8.3kW급 각 2대)를 각각 연결하였다.
- 데이터 로거와 센서로 구성된 데이터 취득 시스템을 가동하고, 시스템 2차 유체 순환부와 지중열교환부의 주요 데이터를 5초 간격으로 취득하여 컴퓨터에 저장하였다. 그리고 열펌프 유니트의 COP 산정을 위한 소비전력은 2초 간격으로 측정하였고 10분 간격으로 적산하였다.
- 이중관방식에 연결된 열펌프 유니트(이하 이중관 시스템)는 1층과 2층 일부를, U-tube 방식에 연결된열펌프 유니트(이하 U-tube 시스템)는 2층 일부와 3층의 냉 . 난방을 담당하도록 조닝하였다. Table 2에 U-tube 시스템과 이중관 시스템에 적용된 열펌프와 지중열교환기에 대한 설치사양을나타냈다.
- 방열기를 이용하여 난방만 실시하고있었던 건물에 지열시스템으로 냉 . 난방이 가능하도록 시설을 구축하였다. Table 1은 공조대상면적과 냉 .
- 지중 순환수의 유량은 체적유량계(LF 600, Toshiba, 정확도: ±2%)를 설치하여 측정하였다. 데이터 로거와 센서로 구성된 데이터 취득 시스템을 가동하고, 시스템 2차 유체 순환부와 지중열교환부의 주요 데이터를 5초 간격으로 취득하여 컴퓨터에 저장하였다. 그리고 열펌프 유니트의 COP 산정을 위한 소비전력은 2초 간격으로 측정하였고 10분 간격으로 적산하였다.
- 데이터 확보 및 성능 분석을 위해 온도 센서, 유량계, 전력량계 등을 설치하였다. K형 열전대를이용하여 지중 순환수의 실외기 열교환기 입.
- 정확한 성능비교를 위해서 동일 조합 및 배관연결 상태로 시험을 진행하여야하나 한국냉동공조인증센터(이하 KRAAC)의 시험실 여건상 현실적으로 어렵다. 따라서 KRAAC 에서 실시된 성능시험은 학군단에 설치한 동일모델의 실외기 1대에 10kW급 실내기 6대를 연결 (냉매배관길이 120m)하여 진행하였다. Table 3 은 KRAAC에서 발생한 시험성적서의 열원 및부하측 온도별로, 능력과 COP를 각각 정리한 것이 다61.
- 물-공기 멀티형은 실내기 종류 및 개수, 냉매배관 길이, 고저차 그리고 운전조건 등에 의해 성능이 변하는 특성이 있기 때문에 실 사용조건에서도 성능이 확보되는지를 파악하기 위하여 현장에서 측정된 성능을 공인시험 기관에서 측정한 성능과 비교하였다. 정확한 성능비교를 위해서 동일 조합 및 배관연결 상태로 시험을 진행하여야하나 한국냉동공조인증센터(이하 KRAAC)의 시험실 여건상 현실적으로 어렵다.
- 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 2가지 방식의 지열시스템을 각각 독립적으로 구성하였다. 이중관방식에 연결된 열펌프 유니트(이하 이중관 시스템)는 1층과 2층 일부를, U-tube 방식에 연결된열펌프 유니트(이하 U-tube 시스템)는 2층 일부와 3층의 냉 .
- 열펌프 유니트는 각각의 해당실에 적합한 용도와 부하정도에 따라 실내기를 선정한 뒤 실외기제공용량 이내로 조합하였다. 1층 및 2층 일부를담당하는 조닝에는 58kW(약 16usRT)급 실외기 1대와 실내기 7대(4kW, 7.
- 출구 온도와 지중 열교환기의 표면온도를 측정하였다. 열펌프 유니트의 소비전력은 적산전력계(WT 230, Yokogawa Co., 정확도: ±0.5%)로 측정하였다. 지중 순환수의 유량은 체적유량계(LF 600, Toshiba, 정확도: ±2%)를 설치하여 측정하였다.
- 5%)로 측정하였다. 지중 순환수의 유량은 체적유량계(LF 600, Toshiba, 정확도: ±2%)를 설치하여 측정하였다. 데이터 로거와 센서로 구성된 데이터 취득 시스템을 가동하고, 시스템 2차 유체 순환부와 지중열교환부의 주요 데이터를 5초 간격으로 취득하여 컴퓨터에 저장하였다.
- K형 열전대를이용하여 지중 순환수의 실외기 열교환기 입.출구 온도와 지중 열교환기의 표면온도를 측정하였다. 열펌프 유니트의 소비전력은 적산전력계(WT 230, Yokogawa Co.
- 운전되었다. 해당 시스템의 데이터 취득기간은 2008년 6월부터 2009년 2월까지 이나 본 연구에서는 일일 성능평가를 목적으로 하였기에, 가장작거나 큰 부하율로 운전되었던 9월 30일과 1월 12일 측정결과에 대하여만 시스템 가동 시간 동안의 운전성능을 분석하였다.
대상 데이터
- 092m!, 지흐卜 1층, 지상 3층 규모로 1998년 5월에준공되었다. 방열기를 이용하여 난방만 실시하고있었던 건물에 지열시스템으로 냉 .
- 실사용조건에서 성능측정을 위해 아산에 소재한 H 대학교 학군단(ROTC) 건물에 물-공기멀티형 방식을 설치하였다. 대상건물은 연면적 l, 092m!, 지흐卜 1층, 지상 3층 규모로 1998년 5월에준공되었다.
이론/모형
- 실증현장에 적용된 지중열교환기는 지중 열교환 성능에 대한 연구를 병행하기 위하여 U-tube 방식과 이중관 방식 2가지를 적용하였다. Fig.
- 지중열교환기 설계의 필수 자료인 지중열전도도는 '지 경부 고시 제 2008-3호'에 따른 절차 및방법에 따라 측정하였다.
성능/효과
- 11은 열펌프 유니트의 COP 변화를 나타내었다. U-tube 시스템의 열펌프 유니트와 이중관 시스템의 열펌프 유니트의 일일 평균 COP는각각 3.5와 3.8로 나타났다. 실외기 열교환기 입구수온이 상대적으로 높았던 U-tube 시스템의 COP 가 전체적으로 이중관식 시스템보다 낮게 나타났는데, 이는 U-tube 시스템이 평균부하율과 피크부하율이 전체적으로 높게 운전되어 Fig.
- 8은 U-tube 및 이중관 시스템의 시간의변화에 따른 열펌프 유니트의 COP 변화를 나타내었다. U-tube 시스템의 열펌프 유니트와 이중관 시스템의 열펌프 유니트의 일일 평균 COP는각각 45와 4.2로 나타났다. 이중관식 시스템의 COP가 전체적으로 U-tube 시스템보다 낮게 나타났는데, 이는 평균부하율이 전체적으로 작았고실외기 열교환기 입구온도도 높았기 때문인 것으로 분석된다.
- 1%이며, 피크부하수준은 정격능력대비 82%, 85% 수준이었다. 두 시스템 모두 14시경 부근에서 냉방용량이 가장 크게 나타났으며, 이는일사량 증가와 외기 온도 증가에 따른 실내부하량 증가 때문인 것으로 판단된다.
- 수 있었다. 또한 난방시에 과부하운전으로운영되었음에도 COP가 동일조건에서 예상되는공기열원 열펌프 COP보다 43% 정도 더 우수한것으로 나타나 연중 안정적인 성능을 제공하고있음을 알 수 있었다.
- 8로 나타났다. 실외기 열교환기 입구수온이 상대적으로 높았던 U-tube 시스템의 COP 가 전체적으로 이중관식 시스템보다 낮게 나타났는데, 이는 U-tube 시스템이 평균부하율과 피크부하율이 전체적으로 높게 운전되어 Fig. 12에서보여지는 바와 같이 소비전력이 높게 형성되었기때문인 것으로 분석된다.
- 실제 사용 조건에서도 일일 평균 COP가 KRAAC의 시험결과와 유사한 값이 측정되어 '물 -공기 지열 멀티형 열펌프 유니트'의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 또한 난방시에 과부하운전으로운영되었음에도 COP가 동일조건에서 예상되는공기열원 열펌프 COP보다 43% 정도 더 우수한것으로 나타나 연중 안정적인 성능을 제공하고있음을 알 수 있었다.
- 3에각각의 지중열교환기의 형식별 개념을 표현하였다. 열전도도 값이 2.09W/mK로 측정된 U-tube 방식 지중 열교환기는 천공깊이 150m, 5개로 결정되었고, 열전도도 값이 2.08W/mK인, 이중관식열교환기는 천공깊이 100m, 3개로 결정되었다. 해당지역의 열전도도는 국내 평균값인 2.
후속연구
- 물-공기 멀티형 열펌프에 대한 실증연구 및 효율향상을 위한 연구가 향후에도 지속적으로 진행된다면, '물-공기 멀티형 방식3에서의 에너지 절감효과는 냉온수계통 순환펌프 소비전력 및 열손실 요인이 추가로 발생하는, 물-물 방식'보다 더욱 향상 될 것으로 예상된다.
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